土壤流体组成及其诊断特性

第3章第三章土壤流体组成及其诊断特性——泰山学院旅游与资源环境学院第3章【知识结构】第四章土壤形成因素学说第一节土壤空气及其运动第二节土壤热量状况第三节土壤水分及其特性第四节土壤分散系及其特征第3章【目的要求】1、掌握土壤流体物质组成及其主要诊断特性2、了解土壤空气及其运动、掌握土壤热量状况3、认识土壤水类型、土水势及土壤水分状况4、理解土壤分散系及其中物质转化过程5、掌握土壤肥力与生态环境功能【重点难点】1、掌握土壤流体物质组成及其主要诊断特性2、了解土壤空气及其运动3、土壤水类型、土水势及土壤水分状况4、土壤分散系及其中物质转化过程5、土壤肥力与生态环境功能第3章土壤空气是土壤的重要组成成分，它和土壤水分共同存在于土壤孔隙之中，是影响土壤肥力与土壤自净能力的因素之一。土壤空气的组成与大气层中空气的组成有明显的不同。第一节土壤空气及其运动一、土壤空气来源与组成特点来源：近地大气层组成特点：1.CO2含量高于大气,氧气含量低于大气2.一般水气饱和3.含较多还原性气体第3章二、土壤气体交换过程1、分子扩散土壤中不断进行的动植物呼吸作用和微生物对有机质物的生物化学分解作用，使得土壤空气中O2不断消耗和CO2逐渐累积，其结果是土壤空气中O2、CO2浓度与近地层大气中O2、CO2浓度之间差异的扩大，必然引起O2、CO2气体分子扩散的发生，亦称土壤的呼吸作用。图3-1土壤空气与近地大气之间气体扩散过程示意图2、整体交换近地大气层空气的湍流运动引起土壤与大气之间的空气交换过程。第3章第三节土壤水分及其特性一、土壤水分的意义土壤水是土壤的最重要组成部分之一，约占土壤组成的25％。重要性主要体现在：1)水分是植物生长发育不可缺少的因子。2)土壤水分是土壤形成、发育的催化剂。3)土壤水分运动是全球水循环的重要环节。第3章全球水分循环示意图(据BotkinDB,1998)土壤水分的来源大气降水灌溉水地下水土壤水分的损耗土壤地面蒸发水分渗漏植物吸收和蒸腾径流损失土壤水分的来源和损耗第3章二、土壤水分类型及特性1、水分类型的划分水分进入土壤后，受到重力、分子力、毛管力等作用，存在不同的形态和运动形式，通常进行如下划分：固态水土壤水气态水束缚水自由水化学结合水物理束缚水化合水结晶水吸湿水）膜状水毛管水重力水毛管上升水毛管悬着水自由重力水支持重力水冰第3章固态水土壤温度在0C以下，以固体状态存在的水分。分布：高纬度地带和高山地区含永冻层的冰沼土。中纬度地带含季节性冻层的土壤。有效性：固态水为无效水。青藏高原南极大陆－长城站第3章化合水是指参与矿物晶格组成，并被矿物牢固所保存的水分；如：伊利石，Fe(OH)3等105C释放结晶水是指和矿物晶格相结合不牢固的水分。如，石膏，105C释放二者为无效水伊利石第3章气态水土粒空气存在于土壤空气之中的水汽。含量少；气态水是无效水；第3章吸附水（吸湿水）:由土壤颗粒的表面张力所吸附的水分。水汽土粒水分子和土壤颗粒的吸力大，可1万大气压,又称为紧束缚水；属于无效水分。最大吸湿水量、吸湿系数性质：第3章最大分子持水量：薄膜水的最大含量。膜状水土粒薄膜水（膜状水）指在吸附水膜外层的水分。水分子和土壤颗粒的吸力较小，在31－6个大气压,具有活性，又称为松束缚水；部分有效，但不能满足植物需要。调萎系数：植物呈现永久调萎时的土壤含水量。性质：第3章毛管水是靠土壤中毛管孔隙所产生的毛管引力所保持的水分。引力较小，在6－1/3大气压，是自由水，是有效水，是毛管水是土壤中最宝贵的水分。毛管水又可以分为两种类型。毛管悬着水：土体中与地下水位无联系的毛管水。主要来源：降水、灌溉、溶雪等毛管悬着水的达到最大时，称田间持水量。•地下水位第3章毛管上升水：土体中与地下水位有联系的毛管水。地下水位高土粒第3章重力水当土壤水分含量超过田间持水量，土壤中多余水指充滞非毛管空隙，存在于土壤中的时间短，很快会因为重力作用而渗入或流出。当土壤空隙全部填满水时，称为饱和持水量。2、土壤水的有效性水分形态水分有效性水分常数土壤水吸力10000105度下烘干31156.250.50.08吸湿系数膜状水萎焉系数最大分子持水田间持水量毛管持水量饱和持水量毛管悬着水重力水多余水毛管上升水结晶水化合水一定情况下有效吸附水无效水有效水第3章土壤水分常数(soilmoistureconstant)在一定条件下的土壤特征性含水量称土壤水分常数。●吸湿系数●凋萎系数●田间持水量●饱和含水量土壤水的有效性(availability)最大有效水含量是凋萎系数至田间持水量的水分。第3章图1-21不同质地土壤的有效水分含量图第3章三、土水势(soilwaterpotential)1、土水势概念土壤水的能量状态动能势能(毛管力、范德华力、压力、溶质力、重力等)土水势是衡量土壤水分能量的指标，表明土壤自由水能与标准的参考状态的水相比的差值。可以理解为：单位水量从一平衡的土－水系统移动到与它同温度而处于参比状态的水池时所作的功。国际土壤学会(1963)：把单位质量纯水可逆地等温地以无限小量从标准大气压规定下的水池移至土壤中某一点而成为土壤水所作的有用功。一般规定在一个标准大气压下，与土壤温度相同，以及固定高度的储水池中纯自由水的势能，作为土水势的标准参考状态，并规定其水势为零。第3章基于土水势土壤水运动特点土壤水一般从高自由能流向低自由能，一般与含水量无关。如含水量为15%的粘土、10%的砂土。水分饱和时为正值，水分不饱和为负值。（1）基质势：土壤水分运动受到土壤颗粒的吸附力、毛管力作用产生的势能。水分不饱和为负值，饱和为零。（2）压力势：静水压力作用，自由水面以下为正值，自有水面的水为零（3）溶质势：渗透势，土壤溶质离子吸水，为负值。（4）重力势：重力作用，与选取的基准有关，可为正值或负值。（5）总水势：2.土水势类型（根据受力状况）第3章土壤水分状况(soilmoistureregimes)不仅影响土壤中物质能量的迁移转化过程，还影响土壤形成发育的方向和性质。根据成土环境及土壤特征，可以将土壤水分状况划分为以下类型：①淋溶型与周期淋溶型；②非淋溶型；③渗出型；④停滞型；⑤冻结型。4、土壤水分状况第3章图5-5全球土壤水分状况季节性变化图第3章第四节土壤分散系及其特性一、土壤分散系的概念及其分类1、土壤分散系概念体系：在复杂综合体的科学研究上，选取复杂综合体的一部分作为研究对象，称之为体系。相：体系中物理和化学性质完全相同的任何均匀部分，且同其它部分有一定的界面隔开来的叫做一个相。根据相的多少体系可以划分为：均与体系或单项体系不均匀体系或多项体系分散体系或分散系:一种物质分散在另一种物质中所形成的体系.土壤分散系—分散质、分散剂2、土壤分散系的类型根据分散质颗粒大小，可以分为土壤溶液：小于10-9m土壤胶体：10-9--10-7m第3章二、土壤胶体1、土壤胶体及其特性1）胶体的基本构造（1）微粒核（2）双电层:决定电位离子层补偿离子层：非活性的补偿离子层扩散层胶核决定电位离子层补偿离子层第3章2）土壤胶体的类型土壤胶体可分为三种类型：（1）土壤矿质胶体；（2）有机胶体；（3）有机-无机复合胶体。3）土壤胶体的特性（1）巨大的比表面能和表面能（2）带有电性(3)凝聚和分散作用（凝胶和溶胶两种状态）不可逆凝胶：Fe3+、AI3+、Ca2+、Mg2+土壤结构的水稳定性强可逆凝胶：NH4+、K+、Na+土壤胶体电荷的起因（1）同晶置换作用（2）晶格表面OH基解离析出H+，吸收H+（3）晶格破碎边缘带电第3章2、土壤胶体的离子交换吸附离子交换/代换：在土壤胶体双电层的扩散层中，补偿离子可以和介质溶液中相同电荷的离子以离子价为依据进行等价交换。离子交换作用的类型：阳离子交换吸附作用和阴离子交换吸附作用1)土壤胶体的阳离子交换吸附（1）概念：土壤中带负电荷胶体吸附的阳离子与土壤溶液中的阳离子以离子价为依据进行等价交换。交换过程反应方程式：胶粒+Ca2++2Na+NaNa胶粒Ca–––=阳离子交换作用对土壤中养分的保持和供应起着重要作用。当土壤溶液中阳离子吸附在胶体上时，表示阳离子养分的暂时保蓄，即保肥过程；当胶体上的阳离子解离至土壤溶液中时，表示养分的释放，即供肥过程。第3章（2)影响阳离子交换作用的因素①阳离子的交换能力a.离子电荷价：阳离子所带的电荷数愈多，其交换能力愈强。M3+M2+M+（M表示阳离子）b.离子的半径及水化程度(原子序数)：同价离子，离子半径大，水化就半径小，交换能力越强。离子半径大小与交换力的关系，可由水化作用来解释。离子半径越大，单位面积上所带的电荷越小，因此，对水分子的吸引力小，即水化程度弱，离子水化半径越小，其与胶粒间距离也愈小，按库仑定律，它和胶粒间的吸引力就愈大，它代换其它离子的能力就愈强。c.离子运动速度：凡离子运动速度愈大的，其交换力也愈大。例如氢离子就是这样，而且氢离子水化很弱，通常H+只带一个水分子，即以H3O+的形态参加交换，水化半径很小，因此它在交换力上具有特殊位置。阳离子交换能力顺序：Fe3+Al3+H+Sr2+Ba2+Ca2+Mg2+CS+K+NH4+Na+Li+第3章②质量作用定律如果溶液中某种离子的浓度较大，则虽其交换能力较小，同样能把胶体上交换能力较大的其它阳离子代换下来。可控制土壤中阳离子交换作用的方向，定向地改造土壤，提高土壤肥力。土壤阳离子交换量：（CationExchangeCapacity，CEC）在一定土壤pH值条件下，土壤能吸附的交换性阳离子的总量。通常以每千克土壤所能吸附的全部交换性阳离子的厘摩尔数。单位：cmol/kg土壤阳离子类型胶体上吸附的阳离子分为两类：一类是酸性阳离子（如H+和Al3+）。一类是盐基离子（如Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+等），盐基离子为植物所需的速效养分。第3章（3）影响土壤阳离子交换量因素(了解内容)胶体类型胶休种类腐殖质蛭石蒙脱石水云母高岭石含水氧化铁、铝CEC（cmol(+)·kg-1)150-500100-15060-10020-403-15微量比表面（m2·g-1)800-1000700800100-2005-20-质地阳离子交换量（cmol(+)kg-1)砂土1-5砂壤土7-8壤土7-18粘土25-30土壤质地土粒愈细，无机胶体数量愈多，交换量便愈高。土壤pH值土壤介质中PH值降低时胶体微粒所带的负电荷减少，CEC减少。第3章土壤交换量的大小，基本上代表了土壤的保持养分数量，也就是平常所说的保肥力高低；交换量大，也就是保存养分的能力大，反之则弱。所以，土壤交换量可以作为评价土壤保肥力的指标。一般地：小于10cmol/kg，保肥力弱；10~20cmol/kg，中等；大于20cmol/kg，强。CEC与土壤肥力的关系第3章阳离子交换量和施肥有密切关系：在施肥时不仅要了解作物的需要，同时还要考虑土壤交换量的大小。在生产上的意义例如在砂土上施用化肥，由于土壤交换量小，土壤保肥力差，应该分多次施肥，每次施量不宜多，以免养分淋失。对于交换量小、保肥力差的土壤，可通过施用河塘泥、厩肥、泥炭或掺粘土，以增加土壤中的无机、有机胶体，以及通过施用石灰调节土壤反应等来提高土壤的阳离子交换量。举例？？？第3章我国南北方土壤的CEC和BSP比较长江中下游发育在冲积母质上的土壤，粘土矿物以蒙脱石、水云母为主，CEC大约为20~30cmol(+)·kg-1。BSP在华南西南为红、黄壤地带，无机胶体以高岭石和含水氧化铁、氧化铝为主，土壤酸性大，pH值低，阳离子交换量小，一般每千克土只有十几个厘摩尔，广东的砖红壤的交换量只有5.2cmol(+)·kg-1。BSP在30%以下。长江中下游地区含蒙脱石、水云母较多，土壤反应又多为中性或微碱性，因此，阳离子交换量一般较高。例如东北的黑土、内蒙的栗钙土的交换量在30~50cmol(+)·kg-1。北方第3章（4）土壤盐基饱和度（BSP）1）阳离子分为两类：一类是酸性阳离子，包括H+和Al3+一类是盐基离子，包括Ca